旋渦流量計與質量流量計在液氨計量中的應用

張曉航，李祖瑜

（大連大化工程設計有限公司，遼寧大連 116031）

旋渦流量計與質量流量計在液氨計量中的應用

張曉航，李祖瑜

（大連大化工程設計有限公司，遼寧大連 116031）

分析了在液氨流量測量中由于存在氣液兩相流，使旋渦流量計測量不準確；介紹了質量流量計的原理及應用情況，更適合測量液氨流量，可以達到化工生產中要求精確測量的目的。

流量；液氨；旋渦流量計；質量流量計；應用

在工業生產過程中，為了有效地指導生產操作、監視和控制生產過程，經常需要檢測生產過程中各種介質的流量，以便為管理和控制生產提供依據。同時，各部門之間經常有物料的輸送，需要對它們進行精確的計量，作為經濟核算的重要依據，所以，流量檢測在現代化生產中顯得十分重要。

1 流量測量儀表的研究意義

流量測量的對象復雜多樣，如有氣體、液體、混相流體、粘稠的流體、粉塵、固體顆粒等。流量測量儀表的種類也類型繁多，如節流式流量測量、電磁式流量測量、容積式流量測量等；不同的測量對象選擇適合的測量儀表對工程技術人員來說是一個值得研究和探討的問題。

在流量儀表的應用上不是簡單的選好流量計就行，還應對流量儀表的安裝引起足夠的重視，有很多流量儀表在安裝上存在很多問題，這些問題使得測量的結果產生誤差。在實驗室，流量計可以得到很高的精確度，但是在現場，一旦流體條件或環境條件有大的變化，不僅精確度無法保證，甚至無法進行正常測量。

本文以大化集團股份公司冰機工序的補充液氨流量測量與合成氨廠液氨流量測量為例，討論流量計的正確應用。

2 旋渦流量計的應用

該公司搬遷前測量補充液氨流量用的是旋渦流量計，但是使用效果并不理想，測量數據與合成氨廠質量流量計的測量數據有一定的差距。現對這一問題進行分析。

2.1 旋渦流量計測量原理

旋渦流量計是利用流體力學中的卡門渦街現象制造的一種流量計（如圖1）。所謂卡門渦街現象就是旋渦發生體垂直插入到流體中，流體繞過發生體時會形成渦列，在滿足一定的條件下，非對稱渦列就能夠保持穩定，此時，旋渦的頻率f與流體的流速v及旋渦發生體的寬度d有如下關系：f＝St·v／d （1）

其中St為斯特勞哈爾數。在正常工作條件下為常數。

而斯特勞哈爾數和雷諾數有關，當Re＝2×104～7×106范圍內時，St可視為常數。

從關系式中可看出流量的測量與被測介質的溫度、壓力、密度無關。并且旋渦流量計精確度較高，無零點漂移，范圍度寬，壓損小，從理論上講，能夠對液氨的流量進行測量。

2.2 液氨流量不準的原因分析

2.2.1 公式驗算

首先來驗算若使用旋渦流量計，上式（1）中的St是否為常數，即雷諾數Re是否在2×104～7× 106范圍內。

我們取得了液氨在不同溫度下密度與粘度的數據（見表1），用來計算雷諾數Re的值。

D——管道內徑； v——流體的平均速度；

ρ——流體密度； η——流體粘度。

表1 液氨在不同溫度下密度與粘度的值

把表1中的各個參數代入式（2）中得：

當T＝0℃時，Re＝5.50×106；

當T＝20℃時，Re＝4.87×106；

當T＝40℃時，Re＝4.30×106；

當T＝60℃時，Re＝3.93×106。

補充液氨的溫度為37℃，根據上面的Re值可以看出，當T＝37℃時，Re值完全符合條件，即此時的St為常數。

既然理論上使用旋渦流量計符合測量要求，但在實際應用中還是存在誤差，這時就要考慮安裝方面是否合理。

2.2.2 旋渦流量計的安裝要求

1）盡量將本流量計安裝在震動較小的地方。

2）流量計上游直管段長度取決于管道狀況（如擴管10D，縮管5D，彎管10D），下游直管段至少為5D。

3）閥門應安裝在流量計的下游，如果閥門一定要安裝在流量計的上游，那么保證上游的直管段長度都至少在20D以上，下游至少在5D以上。

4）需要測壓時，將測壓孔設置在旋渦流量計下游的2D～7D之間的地方。

5）需要測溫時，將測溫孔設置在離測壓點下游的1D～2D之間的地方。

6）不要將密封墊片突出到管道中，否則將使讀數有誤差。

從觀察現場的情況看，流量計的安裝也符合要求，并無不合理的地方。

2.2.3 氣液兩相流對旋渦流量計的影響

后來經過多次仔細觀察，發現隨著氣溫的升高，旋渦流量計的示值明顯比實際正常值要高。

分析其原因：我們都知道液氨這種液體的飽和蒸氣壓高，在標準大氣壓條件下，其沸點為－33.4℃，是一種極易揮發的液體，因此必須在特定的壓力和溫度下輸送或儲存。在溫度升高或壓力降低時，必然有部分液體發生相變，就形成了氣液兩相流。測量液氨流量要盡量避免氣液兩相流。所以輸送液氨的管道要從始至終都保持在一個特定的壓力和溫度下，才能保證液氨流量的測量精度，但實際情況并不如此。隨著液氨汽化，混相流體積流量增加。而大部分的流量計測量的就是體積流量，當然也包括旋渦流量計，所以使得旋渦流量計示值偏高。

3 質量流量計的應用

雖然管道中的液氨的體積變大了，但質量未變，所以可以考慮將旋渦流量計改為質量流量計。

3.1 質量流量計的測量原理

質量流量計又稱科里奧利質量流量計，是根據科氏力原理來測量流體的質量流量的，科氏力是指物體在旋轉系統中做直線運動時所受的力。它與流體的質量的關系式如下：

Fc＝2·Δm（v·ω）

Fc——科氏力；

Δm——移動物體的質量；

V——旋轉或振動時的徑向速度；

ω——角速度。

科氏力與運動流體的質量Δm、速度v成正比，即與流體的質量流量成正比。

其特點是可以直接測量介質的質量流量，精確度高，不受流體物性（密度、粘度等）的影響，也無上、下游直管段的長度要求，幾乎可測量所有流體，包括高粘度流體、液固兩相流體和含有微量氣體的氣液兩相流體。

3.2 質量流量計測量氣液兩相流的局限性

雖然質量流量計在測量氣液兩相流時要求液體中只能含有少量的氣體，若含氣量稍高，就會使測量誤差顯著增大，但液相中到底含多少量的氣體會對質量流量計的測量精度產生影響現在還處于研究階段，并無標準。況且從現場的使用情況來看，使用質量流量計測量液氨流量還是比較準確的。

3.3 質量流量計的安裝要求

雖然質量流量計在測量液氨時有明顯的優勢，但是對質量流量計的正確安裝也不可忽視。安裝不當，將造成流量計無法正常使用，更無法精確計量。

1）當測量管內夾帶氣泡時，會引起附加誤差，應避免流量計內空氣積聚，因此，流量計不可裝在最高點或直接安裝在向下的放空管道出口處；

2）質量流量計的原理和結構都決定了其外界振動會對它產生影響，所以安裝時要盡量避免有較大的振動源，或泵、電機等，否則會造成測量誤差；

3）盡量減少固體顆粒在測量管內壁沉積，否則儀表性能下降；

4）不能用于較大管徑，此種流量計適用于中小尺寸的管道的流量檢測，目前只能做到DN150～DN300。液氨管道的管徑尺寸為DN150，適合使用質量流量計。

根據以上對比，對于液氨流量的測量，質量流量計的測量結果優于旋渦流量計的測量結果。

4 應用效果

大化集團松木島廠區搬遷后，用于測量液氨的流量計全部選擇了質量流量計。開車至今，流量計運行穩定性良好，測量準確，基本處于免維護狀態，減少了儀表平時維護的工作量，儀表檢修時拆分也方便。

用質量流量計代替旋渦流量計測量液氨流量，雖然價格較高，但測量準確度高，更有利于各廠經濟指標的核算。

［1］ 陸德民.石油化工自動控制設計手冊（第三版）［M］.北京：化學工業出版社，1999

［2］ 紀綱.流量測量儀表應用技巧（第二版）［M］.北京：化學工業出版社，2009

TQ 056.15

B

1005－8370（2012）01－34－03

2011－11－18

張曉航（1983—），2006年畢業于沈陽化工大學，現就職于大連大化工程設計有限公司，助理工程師。